Levitación (física)

Levitación (del latín levitas, lit. 'ligereza') es el proceso mediante el cual un objeto se mantiene en alto en una posición estable, sin soporte mecánico mediante ningún contacto físico.

La levitación se logra proporcionando una fuerza hacia arriba que contrarresta la atracción de la gravedad (en relación con la gravedad en la Tierra), más una fuerza estabilizadora más pequeña que empuja el objeto hacia una posición inicial siempre que se encuentre a una pequeña distancia de esa posición inicial.. La fuerza puede ser una fuerza fundamental, como magnética o electrostática, o puede ser una fuerza reactiva, como óptica, flotante, aerodinámica o hidrodinámica. La levitación excluye la flotación en la superficie de un líquido porque el líquido proporciona soporte mecánico directo. La levitación excluye el vuelo estacionario de insectos, colibríes, helicópteros, cohetes y globos porque el objeto proporciona su propia fuerza contragravedad.

Física

La levitación (en la Tierra o en cualquier planetoide) requiere una fuerza hacia arriba que anule el peso del objeto, de modo que el objeto no caiga (acelere hacia abajo) ni se eleve (acelere hacia arriba). Para la estabilidad posicional, cualquier pequeño desplazamiento del objeto en levitación debe resultar en un pequeño cambio de fuerza en la dirección opuesta. los pequeños cambios de fuerza se pueden lograr mediante campos de gradiente o mediante regulación activa. Si el objeto es perturbado, puede oscilar alrededor de su posición final, pero su movimiento eventualmente disminuye a cero debido a los efectos de amortiguación. (En un flujo turbulento, el objeto podría oscilar indefinidamente).

Las técnicas de levitación son herramientas útiles en la investigación en física. Por ejemplo, los métodos de levitación son útiles para estudios de propiedades de masa fundida a alta temperatura porque eliminan el problema de la reacción con los contenedores y permiten un subenfriamiento profundo de las masas fundidas. Las condiciones sin contenedor se pueden obtener oponiendo a la gravedad una fuerza de levitación en lugar de permitir que todo el experimento caiga libremente.

Levitación magnética

La levitación magnética es la forma de levitación más comúnmente vista y utilizada. Esta forma de levitación ocurre cuando un objeto se suspende mediante campos magnéticos.

Los materiales diamagnéticos se utilizan comúnmente con fines de demostración. En este caso, la fuerza de retorno surge de la interacción con las corrientes de protección. Por ejemplo, una muestra superconductora, que puede considerarse como un diamagneto perfecto o un superconductor idealmente duro, levita fácilmente en un campo magnético externo ambiental. El superconductor se enfría con nitrógeno líquido para levitar sobre un imán y se vuelve súper diamagnético. En un poderoso campo magnético que utiliza levitación diamagnética, incluso pequeños animales vivos han podido levitar.

Es posible levitar grafito pirolítico colocando cuadrados delgados sobre cuatro imanes cúbicos con los polos norte formando una diagonal y los polos sur formando la otra diagonal. Los investigadores incluso han logrado hacer levitar gotas de líquido (no magnéticas) rodeadas de fluidos paramagnéticos. El proceso de tal levitación magnética inversa suele denominarse efecto Magneto-Arquímedes.

Se está desarrollando la levitación magnética para su uso en sistemas de transporte. Por ejemplo, el Maglev incluye trenes que son levitados por una gran cantidad de imanes. Debido a la falta de fricción en los rieles guía, son más rápidos, silenciosos y suaves que los sistemas de transporte público con ruedas.

La suspensión electrodinámica utiliza campos magnéticos de CA.

Levitación electrostática

En la levitación electrostática se utiliza un campo eléctrico para contrarrestar la fuerza gravitacional. Algunas arañas lanzan seda al aire para montarse en el campo eléctrico de la Tierra.

Levitación aerodinámica

En la levitación aerodinámica, la levitación se logra haciendo flotar el objeto en una corriente de gas, ya sea producida por el objeto o actuando sobre el objeto. Por ejemplo, una pelota de ping pong se puede hacer levitar con el chorro de aire de una aspiradora en posición de "golpe" - explotar el efecto Coandă que lo mantiene estable en la corriente de aire. Con suficiente empuje, se pueden levitar objetos muy grandes utilizando este método.

Levitación de película de gas

Esta técnica permite la levitación de un objeto contra la fuerza gravitacional haciéndolo flotar sobre una fina película de gas formada por el flujo de gas a través de una membrana porosa. Con esta técnica, las masas fundidas a altas temperaturas se pueden mantener limpias de contaminación y sobreenfriadas. Un ejemplo común en el uso general incluye el air hockey, donde el disco se levanta mediante una fina capa de aire. Los aerodeslizadores también utilizan esta técnica, produciendo una gran región de aire a alta presión debajo de ellos.

Levitación acústica

La levitación acústica utiliza ondas sonoras para proporcionar una fuerza de levitación.

Levitación óptica

La levitación óptica es una técnica en la que un material levita contra la fuerza descendente de la gravedad mediante una fuerza ascendente derivada de la transferencia de impulso de los fotones (presión de radiación).

Levitación flotante

Los gases a alta presión pueden tener una densidad superior a la de algunos sólidos. Por tanto, se pueden utilizar para hacer levitar objetos sólidos mediante flotabilidad. Se prefieren los gases nobles por su no reactividad. El xenón es el gas noble no radiactivo más denso, con 5,894 g/l. Se ha utilizado xenón para hacer levitar polietileno a una presión de 154 atm.

Fuerza de Casimiro

Los científicos han descubierto una forma de levitar objetos ultrapequeños manipulando la fuerza de Casimir, que normalmente hace que los objetos se mantengan unidos debido a las fuerzas predichas por la teoría cuántica de campos. Sin embargo, esto sólo es posible para microobjetos.

Usos

Trenes Maglev

La levitación magnética se utiliza para suspender trenes sin tocar la vía. Esto permite velocidades muy altas y reduce en gran medida los requisitos de mantenimiento de vías y vehículos, ya que se produce poco desgaste. Esto también significa que no hay fricción, por lo que la única fuerza que actúa contra ella es la resistencia del aire.

Levitación de animales

Los científicos han hecho levitar ranas, saltamontes y ratones mediante potentes electroimanes que utilizan superconductores, produciendo una repulsión diamagnética del agua corporal. Los ratones se mostraron confundidos al principio, pero se adaptaron a la levitación después de aproximadamente cuatro horas y no sufrieron efectos nocivos inmediatos.